De vorming van een eenvoudige koffievlek is al tientallen jaren onderwerp van complexe studie, hoewel het blijkt dat er nog enkele stenen moeten worden gedraaid. Onderzoekers van de Universiteit van Nevada, Reno heeft gemodelleerd hoe een colloïdale druppel verdampt en heeft een eerder over het hoofd gezien mechanisme gevonden dat de dynamiek van deeltjesafzetting in verdampende sessiele druppels nauwkeuriger bepaalt. die gevolgen heeft op vele gebieden van de huidige technologische wereld.

"Het begrijpen en manipuleren van de dynamiek van deeltjesafzetting tijdens verdamping van colloïdale druppels kan worden gebruikt bij DNA-sequencing, schilderen, inkjet printen en fabriceren van bestelde micro/nano-structuren, "Hassan Masoud, universitair docent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, zei. "En nu begrijpen we het beter dan ooit tevoren. Onze ontdekking bouwt voort op een groot oeuvre; we hebben echter een extra stap gezet, het modelleren van de interactie van zwevende deeltjes met het vrije oppervlak van de druppel. We geloven dat onze bevindingen de algemene perceptie van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het zogenaamde 'koffiering'-fenomeen fundamenteel zullen veranderen."

Wanneer een druppel op een oppervlak opdroogt, de daarin gesuspendeerde deeltjes zetten zich meestal in een ringvormig patroon af, een vlek of residu achterlaten, het koffieringeffect genoemd. Tot nu, de vlek werd verondersteld te worden gevormd als gevolg van de vloeistofstroom in de druppel. Masoud en zijn team ontdekten dat het vrije oppervlak van de druppel, de bovenste laag waar het in contact is met de lucht, speelt een cruciale rol bij de afzetting van de deeltjes.

"Als de druppel verdampt, het vrije oppervlak stort in en vangt de zwevende deeltjes op, "Zei Masoud. "Onze theorie laat zien dat uiteindelijk alle deeltjes worden opgevangen door het vrije oppervlak en daar blijven voor de rest van hun reis naar de rand van de druppel."

Masoud en zijn team gebruikten een minder bekend modelleringssysteem, bekend als het toroïdale coördinatenstelsel, waardoor ze de driedimensionale regerende vergelijkingen konden reduceren tot een eendimensionale vorm. Ondanks een behoorlijke hoeveelheid serverruimte en snelheid, het team koos ervoor om hun vele vergelijkingen met de hand uit te schrijven, op tientallen zeer grote stukken krantenpapier.

"Onze innovatieve aanpak - en het gebruik van een aantal lelijke lange vergelijkingen - onderscheidt ons werk van eerder onderzoek, ' zei hij. 'Niemand anders heeft dit coördinatensysteem voor dit probleem gebruikt, en dit stelt ons in staat om de beweging van deeltjes in de druppel op een natuurlijke manier te volgen."

De ontdekking stelt wetenschappers in staat om de beweging van opgeloste deeltjes te manipuleren door de oppervlaktespanning van de vloeistof-gasinterface te veranderen in plaats van de bulkstroom in de druppel te regelen.

"We kunnen oppervlakteactieve stoffen gebruiken om de oppervlaktespanning aan te passen, " zei Masoud. "In een eenvoudig voorbeeld, als u zonnepanelen schoonmaakt, die tot 90 procent van hun efficiëntie kunnen verliezen als ze vuil zijn, de geprefereerde reinigingsmethode is water, maar dat laat een vlek achter die moeilijk te verwijderen is. Door de stromingsdynamiek tijdens het verdampen te veranderen met een gespecialiseerd reinigingsmiddel kunnen de panelen schoner en efficiënter worden."

Hun peer-reviewed artikel, "Alternatief mechanisme voor koffieringafzetting op basis van actieve rol van vrij oppervlak, " werd op 12 december gepubliceerd in de publicatie van de American Physical Society Fysieke beoordeling E .